Цифровой датчик температуры в обучении физики

Аннотация
В статье говорится о проблемах  использования цифрового оборудования, поставляемого в школу. На примере датчика температуры показано, как цифровые приборы могут разнообразить учебный процесс, дополнять его различными формами и приемами. Приведено несколько примеров конкретных лабораторных экспериментов с применением данного измерительного инструмента. Поскольку автор статьи является автором методических пособий для проведения этих и многих других лабораторных работ, то можно считать, что автором самостоятельно освоены новые технологии внедрения цифровых датчиков в процесс обучения физике и предложены собственные способы решения указанных проблем, отдельные элементы которых изложены в данном материале. 

Ключевые слова
Датчик температуры, применение цифровых датчиков, цифровое оборудование в школе, преподавание темы «Тепловые явления».

Библиография отсутствует, поскольку дополнительные источники не использовались.

Фотографии авторские.

Введение

В то время, когда отечественные школы активно наполняются цифровым оборудованием, когда нарастает конкуренция между фирмами-производителями этой продукции за рынки сбыта, иные учителя уже остывают от первоначальной эйфории, связанной с получением новых, современных средств обучения, призванных модернизировать и усовершенствовать учебный процесс и поднять на невиданную высоту мотивацию школьников.

С одной стороны, есть немало учителей, которые готовы к работе с современным цифровым оборудованием, но школы, в которых они трудятся, к сожалению, не получают необходимой для этого финансовой поддержки. С другой стороны, многие школы за последние 10 лет, включая большое количество школ г. Москвы, получили комплекты цифровых приборов через госзаказ, но практически все это оборудование пылится без дела.
Основная причина – отсутствие качественного методического сопровождения в достаточном объеме, которое бы сделало цифровые приборы готовыми к использованию в учебном процессе.

Наша гимназия, в числе лучших школ г. Москвы, в 2012 году получила такое оборудование, к которому прилагалось красиво оформленное, иллюстрированное и весьма объемное руководство. Однако, все эти методические инструкции – просто напросто формальный перевод пособия для американской школы. Большинство этих инструкций в таком виде не могут быть использованы в учебном процессе. Поэтому учителю остается либо разбираться с ним самостоятельно и самому разрабатывать методику его использования, либо – похоронить его в шкафу.

Разумеется, сейчас ведется активная работа по методическому сопровождению цифрового оборудования для школ: пишутся методические руководства для учителей, инструкции для учащихся, создаются рабочие тетради, организуются курсы повышения квалификации педагогов, но, в глобальном масштабе, эти проблемы пока не решены.

Использование цифрового оборудования имело целью модернизировать и облегчить процесс преподавания естественных дисциплин, сэкономить время на проведение демонстрационных и лабораторных экспериментов. В действительности получается, что для того, чтобы разобраться со всеми этими датчиками и программами, времени требуется столько, что впору оставить уроки и садиться за разработку методичек для работы с цифровыми приборами. Следует отметить, что многие устройства не имеют аналогов в традиционном оборудовании, поэтому для внедрения подобной работы учителю потребуется не только время, но и различные специальные умения и знания.

Еще одной проблемой остается недоверие к цифровому оборудованию. По мнению многих учителей, цифровые приборы вредны с методической точки зрения. Учащиеся не видят физического принципа, лежащего в основе работы цифрового прибора. С традиционными измерительными приборами все было понятно. Вот, например, возьмем амперметр: видна стрелка, видна катушка, с которой соединена стрелка, видна пружина, которая возвращает стрелку в первоначальное положение при отсутствии тока, виден и сам магнит. Наглядно и очевидно. Другой пример – обычный термометр. Учащиеся видят резервуар, в котором находится жидкость и видят, что при помещении термометра в нагретое вещество жидкость просто расширяется и на глазах «ползет» по трубке, показывая значение температуры. Или динамометр – все открыто взору и все понятно. Школьники даже ехидно улыбаются, когда учитель поясняет принцип его действия: слишком все очевидно.

А цифровые датчики? Во-первых, все они, как правило, «на одно лицо». Это «лицо» – некоторая «коробочка», в которой находится неизвестно что. Из нее тянется провод, подключаемый, например, к компьютеру (или к другой «коробочке»). И на экране компьютера отображаются цифры. И приходится просто верить, что они измеряют именно то, что сказал учитель.

Кроме того, совершенно непонятно, что делать, если что-то из комплекта (будь то кабель со специальным разъемом, устройство сопряжения с компьютером или сам датчик) выйдет из строя, или просто что-то сломается или потеряется. К кому обращаться? Собственными руками уже не починишь, и не заменишь. Залежи таких приборов, весьма дорогостоящих, но не нашедших применения, уже обнаруживаются в некоторых школах.

Таким образом, все провозглашаемые достоинства цифровых датчиков – оптимизация процесса обучения, наглядность и простота использования оказываются под большим вопросом.

И все-таки, несмотря на это, цифровое оборудование необходимо в современной школе, и в первую очередь – именно на уроках физики. Говорить про их достоинства в данной статье не будем – про это уже написано столько, что не перечитать за целую жизнь. Остановимся на нескольких конкретных примерах применения одного единственного датчика – измерителя температуры. И покажем, насколько может быть применим один из самых простых измерительных приборов.

Пожалуй, самый простой эксперимент, который полезно провести самим учащимся – это наблюдение за процессом теплообмена.

Процесс теплообмена дважды изучается в курсе физики средней школы – в 8-ом классе и в 10-ом. На уроках мы подробно объясняем, что такое тепловое или термодинамическое равновесие, как измеряется температура тел. Объясняем, что любой термометр измеряет свою собственную температуру, и для того, чтобы показал температуру другого тела, его необходимо привести в состояние теплового равновесия с этим телом. При этом, такой вопрос: «От чего зависит скорость теплообмена?» учащихся ставит, как правило, в тупик. Он не объясняется в учебниках, об этом мы редко говорим на уроках, однако, вопрос очень важен. С этим вопросом сталкиваются только школьники, участвующие в олимпиадах, поскольку он традиционно входит в содержание многих олимпиадных задач.

Представим себе, что на таком уроке учитель организует кратковременную лабораторную работу «Наблюдение за процессом измерения температуры горячей воды». Для этого потребуется датчик температуры, подключенный к компьютеру и горячая вода. Опускаем датчик температуры и воду и наблюдаем процесс по графику (рис. 1).

Рис. 1. Наблюдение за процессом измерения температуры с использованием модульной системы экспериментов «PROLog»: внешний вид установки и экран программы

Опыт показывает, что после данного эксперимента вопрос «от чего зависит скорость теплопередачи?» не вызывает проблем даже в слабых классах. По графику видно, что эта скорость не постоянна и, очевидно, зависит от разности температур между термометром и телом, у которого необходимо измерить температуру.

Кстати, для создания проблемной ситуации на уроке вопрос о том, как пойдет график зависимости температуры от времени, можно задать и до выполнения работы. Мнения обычно разделяются и на доске рисуются разные варианты.

После наблюдения и обсуждения процесса нагревания термометра, вполне уместно спросить: «Как пойдет график, если вынуть термометр из горячей воды?» Практически все уже говорят: «по дуге», и… рисуют дугу с неверным изгибом. Разумеется, возникает спорная ситуация, которую может разрешить продолжающийся эксперимент (рис. 1).

Сразу оговорюсь, что для лабораторных работ компьютер не обязателен, обычно цифровые датчики комплектуются автономными дисплеями (рис. 2), на которых отображаются и числовые значения и также строятся графики. Поэтому все описанные далее примеры можно наблюдать каждому школьнику за своей партой.

Рис. 2. Наблюдение за процессом измерения температуры с использованием графического дисплея «PROLog»: внешний вид установки и экран дисплея

Работу по измерению собственной температуры можно предложить для самостоятельного выполнения в 8 классе. Она требует для учащихся, знакомых с датчиком и программным обеспечением, не более 7-10 минут. Учащимся предлагается, взяв рабочую часть датчика температуры в руку, измерить собственную температуру. Вызывает удивление тот факт, что температура их тела при удерживании датчика в руках, не поднимается выше 34 , изредка – 35 Это, кстати, тоже повод для интересного обсуждения.

Разумеется, подобный эксперимент можно провести и с обычным жидкостным термометром, но он не позволяет увидеть наглядный график, а строить его по точкам – слишком неразумная трата времени на уроке. А, самое главное, - цифровой термометр намного чувствительнее – он измеряет температуру до десятых долей градуса, избавляя учащихся и от ошибки самого измерения.

Наверное, не стоит говорить о том, насколько интереснее и информативнее становятся традиционные работы в 8-ом классе «Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры», «Определение удельной теплоемкости», «Определение удельной теплоты плавления льда» и т.д., если учащиеся видят в динамике весь процесс теплообмена.

Так, привычная всем лабораторная работа «Определение удельной теплоемкости тела» получает новый оттенок и более детально позволяет пронаблюдать за процессом теплообмена (рис. 3).

Рис. 3. Измерение удельной теплоемкости тела
Кроме того, графический метод позволяет точно увидеть, когда именно заканчивается теплообмен между нагретым телом и водой, поскольку после этого вода начинает остывать, и измерение температуры воды в этот момент приведет к неверному экспериментальному результату. 

Если Вы, уважаемый читатель, пробовали когда-нибудь получить график плавления кристаллического тела при его нагревании, то могу с уверенностью сказать, что получить такой график, как нарисован в учебниках 8 класса – Вы не смоги. Почему он не получается – тоже интересно обсудить с учащимися, тем более, что они практически всегда уверены, что у них получится именно такой график, как в учебнике. А он при этом не получается никогда.
Очевидно, что причина кроется в том, что для твердого тела практически невозможно осуществить абсолютно равномерный нагрев. Вот и получается, что наружные слои уже начинают плавиться, а внутренние, в которых может находиться термометр, еще твердые. Но именно в этих несоответствиях, которые провоцируют детальное обсуждение в классе, и кроется настоящее физическое понимание многих вопросов.
Для кристаллического вещества довольно хорошо наблюдается только обратный процесс – кристаллизация (рис. 4).

Рис. 4. Наблюдение за процессом нагревания и охлаждения кристаллического тела
Сравнение с графиком нагревания и отвердевания аморфного тела (рис. 5) приводит учащихся к мысли о том, что процессы перехода из одного состояния в другое кристаллических и аморфных тел все-таки принципиально различаются.

Рис.5. Наблюдение за процессом нагревания и охлаждения аморфного тела
Кстати, примером кристаллического тела, как ни странно, является обычный парафин, а в качестве аморфного тела можно взять канифоль. Эти образцы входят в набор «Кристаллизация», поставляемый в школы, например, компанией «Эдустронг». Однако, раздобыть их самостоятельно - несложно.

Вопросы о перегретой или переохлажденной жидкости мы практически не обсуждаем на уроках. Однако, эти интересные состояния веществ встречаются довольно часто. Немало есть физических задач на понимание этого неустойчивого состояния вещества.   Если же всего однажды провести лабораторную работу, или за неимением времени, просто показать демонстрационный эксперимент на уроке, то появится ясность в понимании всех критических и неустойчивых состояний. Для выполнения работы потребуется серноватокислый 5-водный натрий, который так же входит в набор «Кристаллизация», горячая вода и датчик температуры. Вещество при помещении в горячую воду сначала нагревается и плавится, затем оно остывает, переходя в состояние переохлаждения.

График для учащихся получается неожиданным (рис. 6). Даже наиболее сильные учащиеся не всегда дадут правильное объяснение эффекту роста температуры. Увеличение температуры в данном случае обусловлено выделением теплоты в момент быстрой кристаллизации вещества.
Разбираясь в таких, казалось бы, мелких деталях, у учащихся возникает совершенно иное понимание внутренних физических процессов, скрытых от взора.

Рис.6. Наблюдение за процессом переохлаждения жидкости

Такой простой эксперимент, как наблюдение за кипением воды, который длится не более пяти минут, также вызывает искренний интерес, если проводится с датчиком температуры, подключенным к компьютеру (рис. 7) или к графическому дисплею.

Рис.7. Наблюдение за процессом кипения жидкости
Несмотря на повседневность данного эксперимента, для многих учащихся 8 класса (а порой, и 10-ого класса) является открытием, что температура кипящей воды не зависит от времени кипения и не повысится, пока в сосуде имеется жидкость. И даже такой простой график дает повод для обсуждения.

Датчик температуры может быть использован при проверке, например, изобарного процесса с традиционным оборудованием (прозрачной пластиковой трубкой и калориметром). Объединяя датчик температуры вместе с другими измерительными модулями, например, с датчиком давления, появляются самые разные возможности. Например, можно легко и исключительно быстро проверить справедливость остальных газовых законов и самого уравнения состояния газа (рис. 8).

Рис.8. Проверка уравнения состояния идеального газа

К сожалению, все меньше места в учебном процессе уделяется эксперименту. И если в расписании всего 2 часа физики в неделю, то сложно расщедриться на все эти лабораторные работы. В этом случае можно рекомендовать все описанные приемы в форме демонстрационного эксперимента. Опыт показывает, что если объяснение учителя сопровождать наблюдением за теми или иными процессами, то дополнительного времени на уроке не потребуется. А эффект от их применения – неоценимый.

Заключение

Таким образом, цифровые датчики действительно обогащают преподавание физики. В приведенных примерах речь шла о простых лабораторных работах, в которых используется датчик температуры. А сколько возможностей имеет каждый датчик для практических и исследовательских работ учащихся или для проектной деятельности!
Среди современных цифровых датчиков имеются и такие, для которых никогда раньше не было аналогов. Многие физические величины на уроке никогда нельзя быть измерить. Например, модуль вектора магнитной индукции, скорость и ускорение движущихся тел, освещенность, уровень громкости и частоту звуковых волн. Нельзя было пронаблюдать и за многими быстропротекающими процессами. Сейчас многое стало возможно впервые. Все это говорит о том, что к нам в школу приходят совершенно новые инструменты. Но приходят не «на смену» традиционного оборудования. Я глубоко убеждена, что наше так называемое традиционное физическое  оборудование обязательно должно сохраняться и поддерживаться, и к нему в дополнение должны прийти современные цифровые приборы.

Особенность нашего предмета заключается еще и в том, что все эти цифровые приборы могут быть не только средством, но и объектом изучения. И естественно, что если учитель использует датчик температуры, то при изучении зависимости сопротивления проводников от температуры он обязательно покажет практическое и крайне полезное применение данного явления.

Все это говорит о том, что, приобретая или заказывая цифровое оборудование для лабораторных работ, главное внимание следует обращать на наличие подробной методики их применения. Такое подробное методическое сопровождение предлагает сегодня, например, продукция группы компаний “Active Education” (Активное обучение) (http://www.ae-pro.ru/), в которую входит модульная система экспериментов «PROLog и полное описаний лабораторных работ для учащихся и методических руководств для учителя.

Если же подобного сопровождения нет, то учителю нужно быть готовым потратить немало времени на самостоятельную разработку необходимых лабораторных работ.